CN104820290A - 匀光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种匀光装置，匀光装置通过在空心积分棒内设置第一复眼透镜阵列及第二复眼透镜阵列，且复眼的表面镀反射膜。由于复眼是有曲率的，光束经过复眼曲面反射后光束的传输方向发生改变，同等距离内反射次数增多，因此，光斑的均匀性越好。且在同等长度和横截面积的情况下，复眼的匀光效果远远超过现有积分棒，因此，在光学系统长度有限制的情况，使用第一复眼透镜阵列及第二复眼透镜阵列能够缩短空心积分棒的长度，使得匀光装置的体积减小且光斑均匀性好。

Description

匀光装置

技术领域

本发明涉及光学系统，特别是涉及一种光斑均匀性高、体积小的匀光装置。

背景技术

传统的红绿蓝芯片三基色LED通过DM滤光片等光学元件合成后，会投射出含有不同颜色色块的光斑，五颜六色很不均匀，达不到理想的白光。

封装在同一LED内的芯片一般有四个，常见的组合有RGBW(分别是红、绿、蓝、白)，RGWW(分别是红、绿、暖白、冷白)，两颗暖白两颗冷白，此方式发射出来的光束同样也是五彩缤纷的光斑。

因此需要使用积分棒进行匀光。在商用投影机里面更多的是使用四边形的积分棒(方棒)，光分布的均匀性与方棒横截面积(进光面、出光面)成反比，与方棒的长度成正比。由于投影机的收光效率与光源的光学扩展量有关，因此方棒的横截面积要求尽量小。故要提高合成光的均匀性就需要一定的长度，商用投影体积大，可以满足空间长度要求。

但在微型投影机体积有限制的情况下则不适合使用。或在直接照明领域，如医疗照明--手术无影灯，使用的方案是八边形实心玻璃积分棒+全反射透镜。在上述场景中使用多边形积分棒，需要一定的长度。整个光学系统，包括LED+积分棒+透镜(全反射/透射)的长度就有一定限制，产品的空间体积就受到影响。

发明内容

基于此，有必要提供一种光斑均匀性高、体积小的匀光装置。

一种匀光装置，包括空心积分棒、第一复眼透镜阵列及第二复眼透镜阵列；所述第一复眼透镜阵列及所述第二复眼透镜阵列沿所述空心积分棒的轴向依次交错设置于所述空心积分棒内；所述第一复眼透镜阵列及所述第二复眼透镜阵列的复眼表面镀反射膜。

在其中一个实施例中，所述空心积分棒的出射端直径大于或等于入射端直径。

在其中一个实施例中，所述空心积分棒沿径向的截面为多边形、圆形或椭圆形。

在其中一个实施例中，所述第一复眼透镜阵列及所述第二复眼透镜阵列为平面或曲面。

在其中一个实施例中，所述第一复眼透镜阵列所在的平面与所述第二复眼透镜阵列所在的平面垂直。

在其中一个实施例中，所述第一复眼透镜阵列包括第一复眼单元、第二复眼单元，所述第二复眼透镜阵列包括第三复眼单元和第四复眼单元；所述第一复眼单元与所述第二复眼单元垂直相交，所述第三复眼单元与所述第四复眼单元垂直相交；所述第一复眼单元、所述第二复眼单元、所述第三复眼单元、所述第四复眼单元依次沿所述空心积分棒的轴向交错设置于所述空心积分棒内，每个复眼透镜阵列分别包括M个复眼单元，M≥1。

在其中一个实施例中，所述第一复眼透镜阵列包括第一复眼单元、第二复眼单元，所述第二复眼透镜阵列包括第三复眼单元和第四复眼单元；所述第一复眼单元与所述第二复眼单元相互平行，所述第三复眼单元与所述第四复眼单元相互平行；所述第一复眼单元、所述第二复眼单元、所述第三复眼单元、所述第四复眼单元依次沿所述空心积分棒的轴向交错设置于所述空心积分棒内，每个复眼透镜阵列分别包括M个复眼单元，M≥1。

在其中一个实施例中，还包括N-2个复眼透镜阵列，所述第一复眼透镜阵列、第二复眼透镜阵列及所述N-2个复眼透镜阵列依次交错设置于所述空心积分棒内，N≥3。

在其中一个实施例中，所述复眼的口径为多边形。

在其中一个实施例中，所述复眼的曲面为凸面或凹面或凹凸面。

在其中一个实施例中，所述复眼的曲面为棱面、三角曲面、球面或非球面。

上述匀光装置通过在空心积分棒内设置第一复眼透镜阵列及第二复眼透镜阵列，且复眼的表面镀反射膜。由于复眼是有曲率的，光束经过复眼曲面反射后光束的传输方向发生改变，同等距离内反射次数增多，因此，光斑的均匀性越好。且在同等长度和横截面积的情况下，复眼的匀光效果远远超过现有积分棒，因此，在光学系统长度有限制的情况，使用第一复眼透镜阵列及第二复眼透镜阵列能够缩短空心积分棒的长度，使得匀光装置的体积减小且光斑均匀性好。

附图说明

图1为匀光装置的俯视图；

图2为匀光装置的斜轴侧视图；

图3为匀光装置的剖视图；

图4为传统多边形积分棒内的光束传输路径示意图；

图5为匀光装置内光束传输路径示意图；

图6为匀光装置与LED安装示意图；

图7为图6的俯视图；

图8为匀光装置的结构示意图之一；

图9为匀光装置的结构示意图之二；

图10为匀光装置的结构示意图之三；

图11为匀光装置的结构示意图之四；

图12为匀光装置的结构示意图之五。

具体实施方式

如图1所示，为匀光装置的俯视图。

一种匀光装置，包括空心积分棒101、第一复眼透镜阵列102及第二复眼透镜阵列103；所述第一复眼透镜阵列102及所述第二复眼透镜阵列103沿所述空心积分棒101的轴向依次交错设置于所述空心积分棒101内；所述第一复眼透镜阵列102及所述第二复眼透镜阵列103的复眼表面镀反射膜。

复眼透镜是由一系列小透镜组合形成，将双排复眼透镜阵列应用于照明系统可以获得高的光能利用率和大面积的均匀照明。复眼透镜在微显示器及投影显示领域有广阔的应用前景。利用双排复眼透镜阵列实现均匀照明的关键在于提高其均匀性和照明亮度。

复眼透镜阵列要实现均匀照明需两列复眼透镜阵列平行排列，第一列复眼透镜阵列中的各个小单元透镜的焦点与第二列的复眼透镜阵列中对应的小单元透镜的中心重合，两列复眼透镜的光轴互相平行，在第二列复眼透镜后放置聚光镜，聚光镜的焦平面放照明屏就形成了均匀照明系统。

复眼透镜阵列实现均匀照明的原理是：与光轴平行的光束通过第一块透镜后聚焦在第二块透镜的中心处，第一排复眼透镜交光源形成多个光源像进行照明，第二排复眼透镜的每个小透镜将第一排复眼透镜对就的小透镜重叠成像于照明面上。由于第一排复眼透镜将光源的整个宽光束分为多个细光束照明，且每个细光束范围内的垂泪不均匀性由于处于对称位置细光束的相互叠加，使细光束的垂泪不均匀性获得补偿，从而使整个孔径内的光能量得到有效均匀的利用。从第二排复眼透镜的出射的光斑通过聚光镜聚焦在照明屏上，这样，照明屏上光斑的每一点均受到光源所有点发出的光线照射，同时，光源上每一点发出的光束又都交会重叠到照明光斑上的同一视场范围内，所以得到一个均匀的方形光斑。

请结合图2和图3。

空心积分棒101内侧位空心多边形。空心积分棒101前半部分设置第一复眼透镜阵列102，空心积分棒101的后半部分设置第二复眼透镜阵列103。第一复眼透镜阵列102与第二复眼透镜阵列103错开，优选的，两者相互垂直。

如图4所示，为传统多边形积分棒内光束传输路径示意图。

传统的多边形积分棒，其反射面为平面，一光束以入射角θ1(θ2)进入多边形积分棒后，经过三次反射后出射，其出射角仍为θ1(θ2)。入射角越大，反射的次数越多。光束分布的位置改变，使得光分布更均匀。

以入射角θ1入射多边形积分棒后，形成401、502、403三个虚拟光源。

以入射角θ2入射多边形积分棒后，形成501、402、503三个虚拟光源。

光线每发生一次反射，就可以将光源关于反射面对称为一个新的虚拟光源。光斑的均匀性与光线在光棒中的反射次数N有很大的关系，反射次数越多虚点光源数越多。

因此，可知在光束入射角和积分棒反射面面型不变的情况下，积分棒口径越小(反射面之间的距离)，其反射次数越多，均匀性越高。

在本实施例中，在空心积分棒101中设置第一复眼透镜阵列102及第二复眼透镜阵列103，其作用等效于减小空心积分棒101的反射面之间的距离，增加其在同等距离内的反射次数。

如图5为所示，为匀光装置内光束传输路径示意图。

具体的，光束进入空心积分棒101后，小角度入射光20，直接穿过空心积分棒101出射。大一点角度的入射光21、22，在空心积分棒101内部传输到达复眼的表面，由于复眼表面是曲面，且镀覆反射膜。因此光束在复眼表面发生反射，反射的方向由复眼曲面的曲率、曲面的矢高和光束的入射角决定。一光束以入射角α1进入复眼积分棒后，经过7次(201-207)反射后出射，其出射角为β1，α1≠β1。另一光束以入射角α2进入复眼积分棒后，经过9次(301-309)反射后出射，其出射角为β2，α2≠β2。入射角越大，反射的次数越多。同时改变光束分布的位置。

由于复眼为非平面的，是有曲率的，光束经过曲面反射后光束的传输方向发生改变，同等距离内的反射次数增多，反射的次数越多，光斑分布的均匀性就越好。

在同等长度和横截面积的情况下，空心积分棒101的匀光效果远远超过多边形积分棒。因此在光学系统长度有限制，缩短空心积分棒101的长度，同样也能均匀性很好的要求。

从光学扩展量上来分析。光学扩展量Etendue(Optical invariant)＝πA(sinθ_1/2)²，其中A为面积，θ为发光全角度。

假设LED的光学扩展量为E1，后续的积分棒光学扩展量为E2。

①E1>E2，LED的光束不能充分耦合到积分棒，导致能量损失，效率低。

②E1<E2,LED的光束能充分耦合到积分棒，效率会很高。但是不应相差太大，否则系统尺寸过大而浪费，这是一般设计要求。

③E1＝E2，LED的光束能充分耦合到积分棒，能使照明系统的效率达到理论最大值，系统尺寸匹配。

LED的光学扩展量E为定值(发光面积不变情况下)，若积分棒的入射端口径(入射口径＝出射端口径)比LED的小(积分棒的Etendue值小于LED)，那么会导致一部分光线会照射到积分棒之外，导致光线损失。

若积分棒的入射端口径(入射口径>出射端口径)与LED相等(积分棒的Etendue值小于LED)，那么会导致一部分光线会照射到积分棒内部后被反射回来，导致光线损失。

通过缩小积分棒口径的方式，实现直接减小积分棒的反射面之间的距离，增加其在同等距离内的反射次数，但受到光学扩展量Etendue的影响因此并不能实现。

因而本实施例中，空心积分棒101的口径大小和LED光源的发光面积差不多，空心积分棒101的光学扩展量和光源的光学扩展量相比几乎没有增加，这样有利于提高光学收光效率，满足后续光学系统实现小角度光斑的要求。

请结合图6。空心积分棒101进光面和出光面为多边形，方形LED的光斑亦为方形。可以根据不同领域的实际需要选择具体的边数；如投影机的画面为方形(一般为16：9)，那么复眼积分棒的形状选择与投影画面相同长宽比的方形；手术无影灯的术野为圆形，那么复眼积分棒的形状尽可能选择更多边数的，经过复眼积分棒后，光斑的形状可以相当接近圆形。

将空心积分棒101的一端与封装四芯片的LED连接，组成一光束混光装置。

空心积分棒101在LED出射面的正前方，LED发光面的中心与空心积分棒101的中心轴一致。优选LED光源，不限于LED光源。

如图7所示，为图6的俯视图。LED上面四个芯片的数字代表不同的颜色(实际发光面尺寸)。

1为红色，2为暖白色，3为绿色，4为冷白色；第一复眼透镜阵列102与LED正对四个芯片5度倾斜，把LED出来的光线分成两个区域41、42。区域41内一半红光，一半绿光，全部冷白光。区域42内一半红光，一半绿光，全部暖白光。由于红和绿为互补色，两种色光相加等于白色，因此区域41混合后的颜色偏冷白色和区域42混合后的颜色偏暖白色。

第二复眼透镜阵列103与LED正对四个芯片-45度倾斜,把LED出来的光线分成两个区域43、44；区域43内约一半为偏冷白色，一半为偏暖白色的光线，区域44内约一半为偏冷白色，一半为偏暖白色的光线；经过多次反射到达15出口端时，区域44和区域43内的光线的颜色达到一致，最终实现不同颜色混合成一种颜色的光束。

经过错开且相互垂直的两个复眼透镜阵列的多次反射，最终混合成分布均匀的一种色调的光束。

请结合图8。空心积分棒101的出射端直径大于或等于入射端直径。即空心积分棒101的多边形不限于斜率为零平面的形状，可以是逐渐增大的多边形。

请结合图9。空心积分棒101沿径向的截面为多边形、圆形或椭圆形。

请结合图9。第一复眼透镜阵列102及所述第二复眼透镜阵列103为平面或曲面。

优选地，第一复眼透镜阵列102所在的平面与所述第二复眼透镜阵列103所在的平面垂直。

请结合图10。在一个实施例中，第一复眼透镜阵列102包括第一复眼单元、第二复眼单元，所述第二复眼透镜阵列103包括第三复眼单元和第四复眼单元；所述第一复眼单元与所述第二复眼单元垂直相交，所述第三复眼单元与所述第四复眼单元垂直相交；所述第一复眼单元、所述第二复眼单元、所述第三复眼单元、所述第四复眼单元依次沿所述空心积分棒101的轴向交错设置于所述空心积分棒101内。

即沿空心积分棒101轴向投影为，为4条相交直线。优选的，4条相交直线平分360°。

请结合图11。在一个实施例中，匀光装置还包括N-2个复眼透镜阵列104，所述第一复眼透镜阵列102、第二复眼透镜阵列103及所述N-2个复眼透镜阵列104依次交错设置于所述空心积分棒内。

请结合图12，在一个实施例中，第一复眼透镜阵列102包括第一复眼单元、第二复眼单元，所述第二复眼透镜阵列103包括第三复眼单元和第四复眼单元；所述第一复眼单元与所述第二复眼单元平行设置，所述第三复眼单元与所述第四复眼单元平行设置；所述第一复眼单元、所述第二复眼单元、所述第三复眼单元、所述第四复眼单元依次沿所述空心积分棒101的轴向交错设置于所述空心积分棒101内，沿积分棒101轴向对第一复眼单元、所述第二复眼单元、所述第三复眼单元、所述第四复眼单元进行投影后为井字形。

每个复眼透镜阵列分别包括M个复眼单元，M≥1。

在又一个实施例中，匀光装置中可以混合使用平面或曲面复眼透镜阵列。

基于上述所有实施例，积分棒101沿径向的前、后截面可以为多边形、圆形或椭圆形混合。

基于上述所有实施例，复眼的口径为多边形。优选的，复眼的口径为四边形。

基于上述所有实施例，复眼的曲面为凸面或凹面或凹凸面。

复眼的曲面为棱面、三角曲面、球面或非球面。其中，柱面、二次曲面、Zernike多项式曲面属于非球面的一种特定形式。

上述匀光装置通过在空心积分棒101内设置第一复眼透镜阵列102及第二复眼透镜阵列103，且复眼的表面镀反射膜。由于复眼是有曲率的，光束经过复眼曲面反射后光束的传输方向发生改变，同等距离内反射次数增多，因此，光斑的均匀性越好。且在同等长度和横截面积的情况下，复眼的匀光效果远远超过现有积分棒，因此，在光学系统长度有限制的情况，使用第一复眼透镜阵列102及第二复眼透镜阵列103能够缩短空心积分棒101的长度，使得匀光装置的体积减小且光斑均匀性好。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种匀光装置，其特征在于，包括空心积分棒、第一复眼透镜阵列及第二复眼透镜阵列；所述第一复眼透镜阵列及所述第二复眼透镜阵列沿所述空心积分棒的轴向依次交错设置于所述空心积分棒内；所述第一复眼透镜阵列及所述第二复眼透镜阵列的复眼表面镀反射膜。

2.根据权利要求1所述的匀光装置，其特征在于，所述空心积分棒的出射端直径大于或等于入射端直径。

3.根据权利要求1所述的匀光装置，其特征在于，所述空心积分棒沿径向的截面为多边形、圆形或椭圆形。

4.根据权利要求1所述的匀光装置，其特征在于，所述第一复眼透镜阵列及所述第二复眼透镜阵列为平面或曲面。

5.根据权利要求1所述的匀光装置，其特征在于，所述第一复眼透镜阵列所在的平面与所述第二复眼透镜阵列所在的平面垂直。

6.根据权利要求1所述的匀光装置，其特征在于，所述第一复眼透镜阵列包括第一复眼单元、第二复眼单元，所述第二复眼透镜阵列包括第三复眼单元和第四复眼单元；所述第一复眼单元与所述第二复眼单元垂直相交，所述第三复眼单元与所述第四复眼单元垂直相交；所述第一复眼单元、所述第二复眼单元、所述第三复眼单元、所述第四复眼单元依次沿所述空心积分棒的轴向交错设置于所述空心积分棒内，每个复眼透镜阵列分别包括M个复眼单元，M≥1。

7.根据权利要求1所述的匀光装置，其特征在于，所述第一复眼透镜阵列包括第一复眼单元、第二复眼单元，所述第二复眼透镜阵列包括第三复眼单元和第四复眼单元；所述第一复眼单元与所述第二复眼单元相互平行，所述第三复眼单元与所述第四复眼单元相互平行；所述第一复眼单元、所述第二复眼单元、所述第三复眼单元、所述第四复眼单元依次沿所述空心积分棒的轴向交错设置于所述空心积分棒内，每个复眼透镜阵列分别包括M个复眼单元，M≥1。

8.根据权利要求1所述的匀光装置，其特征在于，还包括N-2个复眼透镜阵列，所述第一复眼透镜阵列、第二复眼透镜阵列及所述N-2个复眼透镜阵列依次交错设置于所述空心积分棒内，N≥3。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的匀光装置，其特征在于，所述复眼的口径为多边形。

10.根据权利要求1-8任意一项所述的匀光装置，其特征在于，所述复眼的曲面为凸面或凹面或凹凸面。

11.根据权利要求10所述的匀光装置，其特征在于，所述复眼的曲面为棱面、三角曲面、球面或非球面。